A Study on the Implementation of Zigbee Sensor Node for Building USN Using only Transmission of Fire Sensing Data

(1)

[논 문] Vol. 23, No. 6, 2009

화재감지데이터 전송용

USN

망 구축을 위한 지그비 센서노드 구현

A Study on the Implementation of Zigbee Sensor Node for Building USN Using only Transmission of Fire Sensing Data

천동진·정도영^†·곽동걸

Dong-Jin Cheon · Do-Young Jung

^†

· Dong-Kurl Kwak

강원대학교 방재전문대학원

(2009. 9. 24.

접수

/2009. 12. 11.

채택

)

요 약

화재감지데이터전송에있어서기존의유선기반의전송선로보다설치에용이하고다양한정보수집에 효율성이높은무선기반의 USN^망이^대안으로^제시되고^있다. ^그러나 USN^망^구축에^사용되는^센서노드

의무선전송거리및정보의신뢰성에대해서는문제점이대두되고있다. ^본^{연구에서는}^국제적^표준규격

지그비프로토콜을사용하여센서노드를구현하였다. 제안한센서노드사이에전송거리및수신된정보의 신뢰성을검증하고자테스트전압 3V와 5V를센서노드입력단자에인가하고, 실내에서 10m씩거리를증 가시켜실험한결과최대유효전송거리가 90m ^내외임을^{확인하였다}. ^또한, Mesh Routing ^{중계센서노드}

를사용했을때전송거리에는제한이없었다. ^제안한^{센서노드로} USN^망을^구축하고^실제^{화재감지센서를}

센서노드입력단자에연결하여전송하였을때센서에서직접측정한데이터와 USN망으로전송하여수집 된화재감지데이터가잘일치하였다. 따라서제안한센서노드의화재감지정보전송용 USN망구축에있어 서전송거리및정보의신뢰성이확인되었다.

ABSTRACT

In this paper, USN of wireless communication with easy to install and effectiveness with variety information gathering has been proposed as a alternative of wired-based line for transmission of fire sensing data. But, The sensor node using USN should be considered for wireless transmission range and reliability of information. In this study, the zigbee protocol sensor node was implemented and then tested transmission range of sensor node as 10m interval using voltage information of DC 3V &

5V. Here, maximum transmission distance was confirmed 90m inside-outside. When used mesh routing relay node, distance was not limited. In USN network building, when fire sensing data transmitted, the sensing data same between direct sensing data from sensor and collecting data at USN. Therefore, was confirmed reliability for transmission range and information of proposed zigbee sensor node.

Key words :Ubiquitous sensor network, Sensor node, Zigbee protocol, Wireless transmission range

1. 서 론

최근 화재감시분야에 감지된 화재정보를 전송하기 위하여 기존 유선망기반의전송로는정확한 발화위치 의판단이어렵고

,

다양한화재정보수집및감지된정 보의값이확인되지않아사전에화재방지대응및조 기진압에필요한정보확보에어려움이많다

.

이러한 대안으로 언제·어디서나 다양한 화재판단정보 수집

에 무선기반의 유비쿼터스 센서네트워크

(Ubiquitous

Sensor Network)

기술이최근새로운패러다임으로제

시되고있다

.

^1-3)

USN

망은수집된데이터를정보화기기 로전송하고정보처리를 통해서화재예방조치와 화재 발생시조기에대응할수있다는장점이 있다

.

그러나

USN

망에서 구성요소인 센서노드의 신뢰성 있는정보전송거리가문제점으로항상제시되고있다

.

이와관련하여최근에다양한환경과설치장소를대상 으로

USN

용센서노드테스트베드를구축하고신뢰성 있는

USN

용센서노드기반기술정착을위하여활발히

†E-mail: [email protected]

(2)

연구되고있다

.

^4-8)

본 연구에서는 화재감지정보 전송목적의

USN

^망용

으로서 국제

Zigbee Alliance

에서정하고 있는

Zigbee 2006

^기술기준⁹⁾^을^바탕으로^한^지그비^센서노드

(Zigbee Sensor Node)

를제안하고자한다

.

제안한 지그비센서노드의 신뢰성있는 정보전송거 리를검증하기위하여센서노드사이에최대유효전송 거리를 실험으로 구하였다

.

또한

,

온·습도 화재정보 값으로 하여

USN

망으로 전송하였을때의화재정보에 대한 신뢰성을검증함으로써 제안한지그비 센서노드 의타당성을입증하였다

.

2. 제안된 지그비 센서노드

2.1지그비센서노드전체구성

지그비센서노드의전체구성은

Figure 1

과같이

RF- Module, Micro Controller Unit(MCU), Sensor Module 3

부분으로 구성하였다

.

RF-Module

은

USN

망에 적합한무선통신 지그비프

로토콜을제공하고

,

무선전송거리 연장에필요한중계 기능을 수행하도록하였다

.

MCU

장치는센서로부터측정된아날로그데이터를 디지털 데이터 변환과 측정된 데이터를 가공

,

주변장 치제어및감시

,

통신제어등을수행하도록제작하였다

.

Sensor Module

은화재감지용으로열을측정하기위

한온도센서와 공기의건조정도를 측정하기 위한습 도센서로구성하여 제작하였다

.

2.2지그비프로토콜모듈

국제표준연합인

Zigbee Alliance

에서는

USN

망에적 합하도록무선통신기반의지그비프로토콜을

Figure 2

와같이계층적 구조로규격화된통신 프로토콜을제 공하고있다

.

지그비 프로토콜은

IEEE 802.15.4 PHY/MAC

계층 과

Zigbee Stack

^계층으로 ^되어있다

. Zigbee Stack

^계

층은중계기능을수행할수있도록

Mesh, Star

토폴로 지를지원하고있다

.

^뿐만^아니라^사용자가^이용할^수

있도록응용계층을 제공한다

.

이와같은규격으로무선통신장치를제작하고자

Table

Figure 1. Implemented Zigbee sensor node.

Figure 2. Structure of Zigbee protocol.

Table 1. Specification of Xbee Pro Mesh RF-Module

구분 Specification

공급전원 2.8V~3.4V

통신범위(^내부) 60m~90m

통신범위(외부) 1km~1.6km

전송출력 10mW(10dBm)

전송속도 250kbps

수신감도 −94dBm

Tx 전류 45mA at 3.3V

Rx ^전류 50mA at 3.3V

Sleep 전류 <50µA

반송주파수 2.4GHz

변조방식 DSSS/O-QPSK

온도범위 −40^oC~85^oC

네트워크방식 Tree, Ad-Hoc, Mesh

채널수 16Channel

Addressing PAN ID, Channel and Address

변조방식 DSSS/OQPSK

(3)

1

의 규격을 갖는 미국

Digi

회사에서 제공하고 있는

Xbee-Pro Mesh RF-Module

^를^{사용하였다}

.

¹⁰⁾

특징으로는 전력소비가 낮고

,

통신거리가 출력전력

50mW

^에서^최대

1.6km

^{유효거리를}^가지지만^국내에서

는전파관계법적허용기준에위배되므로

10mW

규격 에적합하도록하였다

.

^그리고

MCU

^와^직렬통신^포트

를인터페이스하여통신제어를할수있도록하였다

.

2.3센서노드제어장치(MCU)

센서노드 제어장치는 시중에 판매되고 있는

Micro

Controller

중 전력소비가 가장 낮은

TI

사 제품으로

Table 2

^의^규격을^갖는

MSP430F1611

^을^{사용하였다}

.

센서노드제어장치의기능은센서모듈에서보내온신

호를

Zigbee RF-Module

장치로 전송하게하는기능과

원격에서센서노드의장애처리를돕기위한감시및제 어기능을갖는다

.

뿐만아니라지그비센서노드를

3

가 지기능으로전환할수있도록한다

.

즉데이터수집을 위한

End Device

기능

,

전송거리를 연장하는

Routing Device

기능

, End Device

에서수집된정보를한곳으로집 중하여전송하는

Coordinator Device

기능이다

.

이것은같 은센서노드에서제어명령으로기능전환이가능하게된다

.

2.4화재감지센서

화재감지센서는열감지및공기의건조정도를측정

하고자

Table 3

의규격을갖는온·습도 사용하여제

작하였다

.

온도센서는측정범위가 −

40

^o

C~123.8

^o

C

까지측정할 수있도록하였고

,

습도센서는

0~100%

측정범위를갖

도록 하였다

. MCU

와데이터 전송인터페이스는

2

선

직렬통신

(I

²

C)

^을^{사용하였다}

.

2.5지그비센서노드를이용한USN망구축

USN

망구성은제안한지그비센서노드

End Device,

Routing Device, Coordinator Device, Gateway, HMI

^모

니터링

S/W

및

PC

를사용하였다

. Figure 3

은화재감 시를위한

USN

^망^전체^구성을^나타낸다

.

동작 흐름은

Figure 3

에서

End Device

기능을 갖는 센서노드는화재감지에사용된 온·습도센서에서측정 된화재정보를수집하여중계노드인

Routing Device

센 서노드로전달하고

,

^{중계노드는}

Coordinator Device

^기

능을갖는센서노드로전송되게된다

. Gateway

는

USN

망을 인터넷 프로토콜로변환해 준다

.

따라서

USN

망 에서수집된감지정보는인터넷이되는곳이면

,

언제·

어디서나 감시할수있게된다

.

3. 지그비 센서노드 특성실험

3.1실험장치

지그비센서노드로구성된실험장치는

Figure 4

와같 다

.

지그비센서노드에서수신된정보를확인하고자모 니터링프로그램을

CIMON HMI S/W

로제작하였다

.

실제화재감지정보를

USN

망으로전송했을때

USN

망에서수신된정보의신뢰성을검증하기위하여

Figure

Table 2. Specification of TI's MSP430F1611

구분 Specifications

MCU MSP430F1611(TI)

공급전원 DC 3.3V~12V(Power Regulator)/

500mA CPU Core전원 2.2V~6V/330^µA

Memory(Flash) 48KB + 256B, ^내부 RAM 10Kbyte

내부클럭 800KHz~5.4MHz

외부클럭 8MHz~16MHz

보조클럭 32.768KHz(Uart ^데이터^전송의

안전성고려)

ADC 12bit/8Ch

DAC 12bit/8Ch

통신포트 Serial 2 Port, SPI 1Port

Table 3. Specification of Humidity & Temp. Sensor (SHT11)

구분 Specification

공급전원 2.4V~5.5V

습도측정범위 0~100%RH, ADC 12bit

응답시간(63%) 4Sec

온도측정범위 −40^oC~123.8^oC, ADC 14bit

−40^oF~254.9^oF, ADC 14bit

인터페이스 I2C ^전송방식

Figure 3. USN network system using sensor nodes.

(4)

5

^와 ^같이 ^{실험장치를} ^{구성하였다}

.

^온·습도 ^센서와

Chamber Room

로구성되며

,

온·습도센서로부터 측정

된 화재신호를 최종단

End Device

^{센서노드의} ^입력

단자에연결하고

USN

^망으로 ^{전송되도록}^하였다

.

그리고

PLC(Programmable Logic Controller)

장치는 온·습도센서로부터직접데이터를 얻기위하여 사용 되었다

.

3.2센서노드전송거리특성실험

제안한센서노드의전송거리및수신된정보의신뢰

성검증을 목적으로실내에서

Figure 6

과같이구성하

였다

.

전송할 데이터는 아날로그 전압정보

DC 3V

와

Figure 4. Experimental units.

Figure 6. The Zigbee sensor node transmission range test configuration.

Figure 5. Fire sensing experimental units.

Table 4. Result of Transmission Range Test of Sensor Node

입력전압 테스트거리(m) ^및^{수신정보전압}(V)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200

Epa= 3V 3 3 3 3 3 3 3 3 3 0 0 0

Epa= 5V 5 5 5 5 5 5 5 5 5 0 0 0

Figure 7. Characteristic photograph of transmission range at Epa= 3V.

Figure 8. Characteristic photograph of transmission range at Epa = 5V.

(5)

5V

를 디지털 데이터로 변환하여 단일 센서노드 사이 의거리

L

^s^를

0m~200m

^범위에서^테스트한^결과

Table 4

와같았다

.

Figure 7

^은^전압정보

3V

^를^입력으로^주었을^때^신뢰

성있는전송거리 특성그래프를

, Figure 8

은전압정보

5V

를주어졌을때전송거리특성그래프를보여주고있다

.

이실험에서지그비 프로토콜을이용한 센서노드의 무선최대 전송거리가

90m

이내임이확인되었다

.

또한

,

전송된 전압정보

3V

와

5V

에대해전송유효거리 내에 서는손실이나오류가없었으며입력된전압정보와일 치하였다

.

3.3중계노드를이용한전송거리특성실험

단일

(1 : 1)

센서노드사이에서최대전송거리는

90m

이내 임을 확인하였다

.

그러나 실제 현장 적용에서는 거리에 제한이없어야한다

.

따라서 지그비 프로토콜의 장점인

Mesh

토폴로지

Routing Protocol

을적용하여중계용센서노드를제작하

고

, Figure 9

와같이

End Device

와

Coordinator Device

센

서노드사이에

Routing Device

센서노드를전송유효거리

범위내에위치시킨다

.

전송하고자하는전압정보

3V

와

5V

에대해서전체센서노드사이거리

L

a

= 10m~200m

범 위에서전송거리를실험한결과

Table 5

와같았다

.

Figure 10

은전압정보

3V

를 입력으로 주어졌을 때

전송거리특성그래프를

, Figure 11

은전압정보

5V

를입 력으로 주어졌을때전송거리특성을나타내고있다

.

이실험에서중계노드인

Mesh Routing

지그비센서 노드를

End Device

센서노드와

Coordinator

센서노드

사이에

10m~200m

범위에위치시켰을때전송된전압

정보 손실 및오류가 없었으며

,

전송거리에도 제한이 없음이 확인되었다

.

^뿐만^아니라 ^입력으로 ^주어진

3V

와

5V

전송전압은

PLC

로직접측정한입력값과

USN

망에서모니터링 값이잘일치하였다

.

3.4 USN망에서화재감지데이터전송실험

USN

망에서 온·습도센서로부터감지된화재전송정

Figure 9. Transmission range test configuration using routing sensor node.

Table 5. Result of Transmission Range Test using R-Device

입력전압 테스트거리(m) ^및^{수신정보전압}(V)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200

Epa= 3V 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

Epa= 5V 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3 3 3

Figure 10. Characteristic photograph of transmission range at Epa= 3V using R-device.

Figure 11. Characteristic photograph of transmission range at Epa= 5V using R-device.

(6)

보가어느정도의신뢰성을 갖는지검증하고자

Figure 12

와같이구성하고실험하였다

.

측정된화재감지정보 를 인터넷에서모니터링하기 위해

Gateway

^라는

USN

망과 인터넷 망을 연동하는 장치를 사용하였고

,

전송

된정보확인은

CIMON HMI S/W

^로^모니터링^프로그

램을제작하고실험하였다

.

실험조건은대기중온도상온

20

^o

C

와습도

46%

에

서 화재가 발생된 것으로 가정하고

, Fig. 5

와 같이

Heating

장치로

Chamber Room

의온도를증가시킨다

.

감지된온·습도정보를 센서로부터직접측정한 값과

USN

망을이용하여전송된측정값을비교하였다

.

직접 측정은 온·습도센서출력전압을

PLC

^장치의^디지털

데이터입력단자

I

²

C

에연결하여측정하였다

.

이실험에서온도센서로부터직접측정한

Figure 13(a)

의 온도와

USN

망으로 전송하여 측정된

Figure 13(b)

의온도값은잘일치하였다

.

^또한

,

^건조도^{측정용으로}

사용된 습도값에대해서도직접 측정한

Figure 14(a)

의습도와

USN

을이용하여 측정된

Figure 14(b)

의습 Figure 12. Fire sensing data test configuration using USN network.

Figure 13. Compare sensing data from direct & USN. Figure 14. Compare sensing data from direct & USN.

(7)

도가잘일치하였다

.

6. 결 론

본연구는화재감시분야에서

USN

망구축에 사용되 고 있는지그비 센서노드를 제안하였다

. USN

망구축 및운영에있어서가장문제시되고있는신뢰성있는 정보의전송거리에대한타당성검증을위하여제안한 지그비센서노드를구현하고실험하였다

.

실험을통하 여다음과같은결과를 얻게되었다

.

1)

제안한지그비센서노드의통신출력

10mW

로장 애물이없는실내공간에서는단일센서노드와센서노 드사이에 최대 유효한통신거리가

90m

이내로 확인 되었다

.

2)

단일센서노드에서전송거리

90m

에대한거리제 한 해결방안으로 지그비 프로토콜의

Mesh Routing

을 적용한중계센서노드를제작하고

,

센서노드와센서노 드사이에유효거리에 따라중계노드를 위치시키고전 송거리실험을한결과신뢰성있는정보전송거리에는 제한이 없었다

.

3)

제안된지그비센서노드로

USN

망을구축하고화 재발생 실험장치에 설치한 센서로부터 화재감지정보

(

온·습도

)

값을센서로부터 직접측정한값과

USN

망 으로전송하여수집된값이잘일치하였다

.

따라서본연구에서제안한지그비센서노드가화재

감지데이터를전송하기위한

USN

망구축에상용화하 는데기여하리라생각된다

.

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